Studio sull’effetto di sollievo della pressione e sull’ambito di protezione del minerario a lunga distanza della seam protettiva inferiore basato su simulazione fisica similare e PFC3D

Perché l’estrazione del carbone più sicura è importante

Il carbone continua ad alimentare gran parte dell’elettricità in Cina, ma la sua estrazione può scatenare improvvise emissioni di gas e cedimenti rocciosi che mettono in pericolo i minatori. Questo studio esamina come l’estrazione di uno strato di carbone profondo possa alleviare in modo graduale la pressione in un altro strato sovrastante, facilitando il drenaggio del gas e rendendo più sicura la successiva attività mineraria. Combinando modelli fisici in laboratorio con avanzate simulazioni al computer, i ricercatori tracciano come la roccia tra gli strati si incrina, si flette e si assesta durante l’avanzamento dell’estrazione.

Due livelli carboniferi che lavorano insieme

Il lavoro si concentra sulla miniera n. 6 nella provincia di Henan, dove uno strato più profondo noto come Wu 8 si trova a circa 72 metri sotto uno strato superiore chiamato Ding 5.6. L’idea è di estrarre prima lo strato inferiore come “seam protettiva”. Quando questo strato viene rimosso, il peso della sovrastante massa rocciosa si sposta, modificando la pressione nello strato superiore e aprendo percorsi minuti attraverso i quali il gas intrappolato può fuoriuscire. Se gli ingegneri possono prevedere dove e fino a che distanza si estende questo effetto di sollievo della pressione, possono posizionare i fori di drenaggio del gas e pianificare l’estrazione futura nel livello superiore in modo più sicuro ed efficiente.

Miniera in scala ridotta nel laboratorio

Per osservare ciò che avviene sottoterra, il team ha costruito un grande modello fisico di circa tre metri di lunghezza e un metro e mezzo di altezza che riproduce gli strati rocciosi reali sopra il giacimento Wu 8. Usando sabbia, gesso, carbonato di calcio e mica per rappresentare diversi tipi di roccia, hanno ricreato gli strati sovrapposti e poi hanno “estratto” lo strato inferiore passo dopo passo. Man mano che il fronte di lavoro del modello avanzava, hanno osservato come la roccia sovrastante crollava e dove si aprivano le fratture. Le fratture hanno formato un ampio trapezio che si espandeva verso l’alto e verso l’esterno, attraversando fasi di innesco e crescita, per poi parzialmente richiudersi quando il materiale frantumato si compattava.

Rocce virtuali e forze invisibili

I modelli di laboratorio non possono catturare ogni dettaglio, quindi i ricercatori hanno anche utilizzato simulazioni al computer tridimensionali basate su particelle, note come PFC3D, per tracciare gli schemi di sforzo e di fratturazione nell’intero massiccio roccioso. In questa miniera virtuale, la roccia e il carbone sono rappresentati da migliaia di piccole particelle legate tra loro le cui interazioni seguono le leggi del moto. Con l’avanzare del fronte di lavoro simulato, il programma registra come cambiano gli sforzi verticali e orizzontali a diverse altezze, come le fratture si connettono in reti e come si muove lo strato di carbone superiore. I risultati mostrano che gli sforzi verticali vicino all’area estratta salgono fino a circa quattro volte quelli orizzontali, per poi diminuire, scavando una zona di sollievo della pressione che si restringe con l’altezza e assume una forma a piattaforma trapezoidale sopra il goaf.

Come lo strato superiore si flette e si estende

Le simulazioni rivelano anche come si deforma lo strato protetto Ding 5.6. Il suo pattern di spostamento si trasforma gradualmente in un avvallamento a forma di ciotola sopra lo strato inferiore ormai estratto. Nelle fasi iniziali, quando il fronte di lavoro ha avanzato meno della metà della sua lunghezza, il subsidenza è ridotta e assume una forma ellittica. Con il proseguire dell’estrazione, l’avvallamento si approfondisce e si allargha, con il massimo abbassamento direttamente sopra il centro del goaf. Alla fine, il fondo della “ciotola” si appiattisce man mano che le rocce sovrastanti si compattano e il tasso di ulteriore subsidenza rallenta. Monitorando la variazione dello spessore dello strato protetto, il team calcola un tasso di deformazione per espansione; quando questo tasso supera una soglia, il carbone è considerato completamente scaricato dalla pressione e quindi molto meno soggetto a cedimenti violenti.

Tracciare una zona sicura sottoterra

Combinando risultati di deformazione e sforzo, gli autori delineano la forma tridimensionale della zona efficace di protezione per il sollievo della pressione. Riscontrano che la regione rilassata nello strato superiore non si estende esattamente sopra l’area estratta, ma è traslata verso l’interno sia lungo la lunghezza sia lungo la larghezza del fronte di lavoro. Lungo la lunghezza, la zona protetta inizia e termina circa 35–40 metri all’interno dei limiti reali di estrazione; lungo la larghezza, è arretrata di circa 11–14 metri. All’interno di questa regione spostata, lo sforzo verticale scende al di sotto di un valore critico di circa 16,9 megapascal e il tasso di deformazione per espansione supera lo standard usato nelle normative di sicurezza cinesi. In termini pratici, lo studio fornisce ai pianificatori di miniera angoli e distanze chiari che indicano dove il drenaggio del gas e la successiva estrazione dello strato superiore possono procedere con un rischio ridotto di esplosioni di carbone e gas.

Citazione: Zhan, K., Liu, Z., Wei, D. et al. Study on pressure-relief effect and protection scope of long-distance lower protective seam mining based on similar physical simulation and PFC^3D. Sci Rep 16, 15927 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-47414-9

Parole chiave: estrazione del giacimento carbonifero, drenaggio del gas, fratture delle rocce, sicurezza mineraria, simulazione numerica